馬繼磐

1太重煤機有限公司 山西太原 030000

2礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室 山西太原 030024

刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其運行狀態(tài)對開采效率及安全生產(chǎn)具有重要作用[1]。然而在液壓支架對刮板輸送機的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整時，常伴有刮板輸送機的聯(lián)動效應(yīng)，這在一定程度上阻礙了刮板輸送機位姿的調(diào)整。

在對刮板輸送機位姿分析與調(diào)整方面，有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。白曉輝等人[2]根據(jù)中部槽的實際使用情況與結(jié)構(gòu)特點，找出與彎曲角度有關(guān)的參數(shù)，列出水平和垂直彎曲的最大角度公式；任中全等人[3]分析了中部槽彎曲的過程以及計算原理，利用 MATLAB編制圖形用戶界面，解決了設(shè)計、求解彎曲角度困難、繁瑣的問題；李昊等人[4]根據(jù)綜采工作面刮板輸送機的橫向彎曲移動和縱向運輸?shù)膶嶋H狀況和規(guī)律，建立了刮板輸送機橫向彎曲分步移動模型；王超[5]15分析了中部槽聯(lián)動效應(yīng)誤差，指出了聯(lián)動效應(yīng)的存在對刮板輸送機直線度控制的影響。從以上研究可以看出，對刮板輸送機位姿分析是研究整體推進(jìn)時直線度控制機理的基礎(chǔ)，對聯(lián)動效應(yīng)進(jìn)行分析是刮板輸送機調(diào)直控制的前提。

但是由于井下環(huán)境復(fù)雜，難以在刮板輸送機上安裝相關(guān)傳感器，以及通過采煤機反演刮板輸送機軌跡時存在一定的遲滯性[6]，使得刮板輸送機相關(guān)數(shù)據(jù)獲取困難。數(shù)字孿生技術(shù)[7]為解決井下數(shù)據(jù)提取困難提供了解決思路，在虛擬環(huán)境下建立面向液壓支架與刮板輸送機數(shù)字孿生體，通過對刮板輸送機數(shù)字孿生體進(jìn)行相應(yīng)的推移動作，可以對推移過程中發(fā)生的聯(lián)動效應(yīng)進(jìn)行分析。

筆者采用上述方法，對刮板輸送機聯(lián)動效應(yīng)進(jìn)行了參數(shù)化分析，并以 Unity3D 為研究平臺，實現(xiàn)了虛擬環(huán)境下各中部槽聯(lián)動效應(yīng)的可視化。

1 刮板輸送機中部槽聯(lián)動效應(yīng)

1.1 刮板輸送機整體結(jié)構(gòu)介紹

刮板輸送機在靠近煤壁處沿工作面全長鋪設(shè)在底板上，負(fù)責(zé)運輸割落的煤塊，是采煤機的運行軌道，也是液壓支架進(jìn)行移架的支點[8]。因此，液壓支架的運動是綜采工作面“三機”協(xié)同推進(jìn)過程中的關(guān)鍵之一。

如圖 1 所示，刮板輸送機主要由機身、機頭、機尾及其他附屬部分組成，其中機身占絕大部分。在煤礦開采過程中，對刮板輸送機直線度進(jìn)行調(diào)整與控制是保證整個綜采工作面直線度的關(guān)鍵[5]2。

圖1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of scraper conveyor

1.2 刮板輸送機的中部槽聯(lián)動效應(yīng)

在開采過程中，當(dāng)采煤機截割過后，液壓支架電液控制器需要控制液壓缸將刮板輸送機推至煤壁，為采煤機下一個循環(huán)的截割過程做好準(zhǔn)備。因此，在綜采工作面推進(jìn)過程中，刮板輸送機具有較強的彎曲性能。根據(jù)綜采工作面的生產(chǎn)作業(yè)需要，刮板輸送機機身通常是由啞鈴銷將若干中部槽依次連接構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)使得刮板輸送機滿足了生產(chǎn)作業(yè)的要求，但是阻礙了其位姿的整體調(diào)整。當(dāng)液壓支架對指定的中部槽進(jìn)行推移時，該中部槽的運動將會牽動若干中部槽的位姿發(fā)生變化，即聯(lián)動效應(yīng)，如圖 2 所示。筆者將該中部槽稱為主動部，因主動部運動而產(chǎn)生聯(lián)動的中部槽稱為從動部。在對刮板輸送機直線度進(jìn)行調(diào)整時，如果不考慮中部槽之間聯(lián)動效應(yīng)的影響，將無法保證刮板輸送機的直線度。

圖2 聯(lián)動效應(yīng)示意Fig.2 Sketch of linkage effects

2 刮板輸送機中部槽聯(lián)動效應(yīng)參數(shù)化

在對中部槽聯(lián)動效應(yīng)進(jìn)行分析時，由于聯(lián)動效應(yīng)主要體現(xiàn)在水平方向，因此將中部槽簡化為圖 3 所示的矩形結(jié)構(gòu)。

圖3 中部槽簡化示意Fig.3 Simplified sketch of middle groove

設(shè)液壓支架推動了第i節(jié)中部槽，與其相鄰的左右兩側(cè)各有n節(jié)中部槽產(chǎn)生了聯(lián)動。選取被推動中部槽左側(cè)的從動部為研究對象，得到各中部槽的偏轉(zhuǎn)角度

式中：θ i-n為與主動部相隔n個中部槽的從動部的聯(lián)動角度，也稱為最大聯(lián)動偏轉(zhuǎn)角；d為主動部的被推移距離；L為未發(fā)生聯(lián)動效應(yīng)的中部槽與主動部之間的最小距離。

主動部發(fā)生位置變化時，從動部位置跟隨變化。已知主動部的移動距離，根據(jù)刮板輸送機的偏轉(zhuǎn)特性，得到各從動部的聯(lián)動位移

在刮板輸送機發(fā)生聯(lián)動效應(yīng)時，其縱向運行姿態(tài)在很大程度上會受到煤層起伏的影響，如圖 4 所示。

圖4 沿縱向平面的刮板輸送機姿態(tài)示意Fig.4 Sketch of posture of scraper conveyor along longitudinal plan

由于煤層底板的起伏信息未知，因此筆者選用刮板輸送機的定位信息對其進(jìn)行縱向位姿分析。圖 5 所示為姿態(tài)分析示意圖，其中定位基準(zhǔn)點為機頭靠近巷道處外側(cè)標(biāo)定的關(guān)鍵點。

圖5 姿態(tài)分析示意Fig.5 Sketch of posture analysis

當(dāng)刮板輸送機鋪設(shè)在煤層底板上時，得到的各中部槽的縱向偏轉(zhuǎn)角

式中：αi為中部槽相對于定位基準(zhǔn)點的絕對縱向偏轉(zhuǎn)角；α i′為中部槽相對于相鄰中部槽的相對縱向偏轉(zhuǎn)角。

3 刮板輸送機中部槽虛擬聯(lián)動效應(yīng)的實現(xiàn)

筆者將液壓支架群簡化為底座群進(jìn)行刮板輸送機的推移。將建立好的 3D 模型導(dǎo)入 Unity3D 中 (見圖4)，在底座群上安裝 Box Collider 碰撞體，相鄰 2 節(jié)中部槽采用 Character Joint 碰撞體進(jìn)行連接以代替啞鈴銷的作用，在中部槽鏟煤板處安裝 Capsule Collider 以使底座群與刮板輸送機在復(fù)雜地質(zhì)條件下順利推進(jìn)[9]；在刮板輸送機推移耳座處安裝若干 Capsule Collider 碰撞體，使得該碰撞體群能與推移耳座的形狀吻合，避免在液壓支架推移過程中連接頭與中部槽產(chǎn)生干涉。在完成碰撞體添加過程后 (見圖 6)，在各中部槽與液壓支架底座上安裝 RigidBody 剛體組件，即可實現(xiàn)場景運行時裝備能自適應(yīng)鋪設(shè)在虛擬煤層上。

圖6 物理引擎添加示意Fig.6 Sketch of addition of physical engine

4 仿真驗證

井下空間狹窄，刮板輸送機上沒有安裝相關(guān)的傳感器，無法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。因此筆者基于數(shù)字孿生理論在仿真環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)研究。

如圖 7 所示，按照式 (1)、(2) 分別進(jìn)行刮板輸送機彎曲動作與液壓支架推動中部槽動作。液壓支架推動第 7 節(jié)中部槽，與其相鄰的共有 4 節(jié)中部槽產(chǎn)生了聯(lián)動效應(yīng)，得到各中部槽的偏轉(zhuǎn)角度以及被推移距離。理論聯(lián)動值與虛擬聯(lián)動值的對比如圖 8 所示。

圖7 虛擬聯(lián)動效應(yīng)Fig.7 Virtual linkage effects

由圖 8 可知，虛擬聯(lián)動角度與理論聯(lián)動角度間的平均誤差約為 0.39°，最大誤差約為 1.55°；虛擬聯(lián)動距離與理論聯(lián)動距離間的平均誤差約為 0.34 cm，最大誤差約為 1.35 cm。由此可以看出，虛擬聯(lián)動方法可有效地對刮板輸送機推進(jìn)過程中的聯(lián)動效應(yīng)進(jìn)行描述。

圖8 分析結(jié)果Fig.8 Analysis results

中部槽的絕對縱向偏轉(zhuǎn)角如圖 9 所示?？梢钥闯霭凑帐?(3) 計算得到的絕對縱向偏轉(zhuǎn)角與仿真分析得到的絕對偏轉(zhuǎn)角之間的最大誤差約為 1.3°，說明筆者建立的絕對縱向偏轉(zhuǎn)角模型較可靠。

圖9 絕對縱向偏轉(zhuǎn)角Fig.9 Absolute longitudinal deviation angle

但是從分析結(jié)果也可以看出，未發(fā)生聯(lián)動效應(yīng)的中部槽的偏轉(zhuǎn)角度、推移距離同樣也發(fā)生了變化，且偏轉(zhuǎn)角度也存在一定的誤差。除了模型本身存在的誤差外，主要有 2 個原因?qū)е隆?/p>

(1) 虛擬環(huán)境下物理引擎的影響。由于各中部槽間在 Character Joint 的連接作用下產(chǎn)生了振動；另外在推進(jìn)過程中，裝備底側(cè)的碰撞體與虛擬煤層上的碰撞體間的相互作用也會產(chǎn)生微弱的振動，使得裝備的位姿發(fā)生微弱的變化。

(2) 提取數(shù)據(jù)時，煤層起伏對虛擬中部槽推進(jìn)的影響。由于煤層底板存在起伏，使得刮板輸送機在推進(jìn)的過程中受到一定的來自底板的約束力，進(jìn)而使得獲得的各中部槽坐標(biāo)較推移后的理想坐標(biāo)之間存在一定波動，因此提取的各中部槽坐標(biāo)相對于定位基準(zhǔn)存在一定的誤差。

5 結(jié)語

提出了一種刮板輸送機聯(lián)動效應(yīng)參數(shù)化及虛擬實現(xiàn)方法。對刮板輸送機發(fā)生聯(lián)動效應(yīng)時相關(guān)中部槽的位姿變化進(jìn)行了參數(shù)化分析，在起伏條件下對刮板輸送機的姿態(tài)進(jìn)行了分析，得到了聯(lián)動角度與聯(lián)動距離的計算公式；在虛擬環(huán)境下，對參數(shù)化模型與虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，聯(lián)動角度與聯(lián)動距離的平均誤差約為 0.39°與 0.34 cm，最大誤差約為 1.55°與1.35 cm，縱向偏轉(zhuǎn)角與仿真分析得到的偏轉(zhuǎn)角之間的最大誤差約為 1.3°，證明了所提出的模型的有效性。